Kemian kurssikoe, Ke2 – Ihmisen ja elinympäristön kemiaa – RATKAISUT Sievin lukio

Perjantai 25.5.2018

VASTAA YHTEENSÄ VIITEEN TEHTÄVÄÄN SITEN, ETTÄ OLET VASTANNUT TEHTÄVIIN 1-3!

MAOL JA LASKINOHJELMISTOT OVAT SALLITTUJA!

1. Monivalinta. Valitse oikea vastaus (vain yksi on oikea).

OIKEAT VASTAUKSET VALITTUNA + PUNAISELLA!

1.1 Mihin yhdisteryhmään alla oleva molekyyli voidaan sijoittaa?

sulfonihappoihin fenoleihin aldehydeihin amiineihin

1.2 Mikä bentseeniä koskeva väite on väärin?

Bentseenin johdannaisten nimeämiseen voidaan käyttää orto-, meta- ja para-liitteitä.

Bentseeni on avaruusrakenteeltaan tasomainen.

Bentseenin kaikki hiiliatomit ovat sp2-hybridisoituneita.

Bentseenissä on sp2- ja sp

3 -hybridisoituneita hiiliatomeja, koska voidaan puhua sidoksen delokal-

soitumisesta.

1.3 Kahden sp- hybridisoituneiden hiiliatomien välillä on

yksi σ-sidos ja yk-

si π-sidos.

yksi σ-sidos ja

kaksi π-sidosta.

kaksi σ-sidosta ja

yksi π-sidos.

kaksi σ-sidosta ja

kaksi π-sidosta.

1.4 Millä seuraavista yhdisteistä voi esiintyä optista isomeriaa?

A B C D

1.5 Millä seuraavista yhdisteistä voi esiintyä cis-trans-isomeriaa?

1-buteenilla

2-buteenilla 2-metyyli-2-

pentanolilla

2-metyyli-2-

penteenillä

1.6 Yhdisteen nimi on

2-kloori-4-etyyli-6-metyyli-heptanaali.

2-kloori-4-etyyli-6-metyyli-heptanoli.

6-kloori-4-etyyli-2-metyyli-heptanoli.

6-kloori-4-etyyli-2-metyyli-heptanaali.

1.7 Mikä seuraavista väittämistä on väärin?

Kun s-orbitaali ja kolme p-orbitaalia sekoittuvat keskenään muodostuu sp-hybridiorbitaali.

p-orbitaalien yhteensulautuminen johtaa aina piisidoksen muodostumiseen hybridisaatiossa.

Kovalenttisessa kaksoissidoksessa on piisidos ja sigmasidos.

Piisidos on heikompi kuin sigmasidos.

1.8 Mitkä yhdisteparit ovat keskenään isomeerejä?

propaani – syklopropaani

2-butanoli – metyylipropyylieetteri

etanoli – etanaali

bentseeni – sykloheksaani

1.9 Liuoksen A konsentraatio on 2,0 mol/l. Tästä valmistetaan liuos B seuraavasti: Liuosta A pipetoi-

daan mittapipetillä 5,5 cm3. Tämä tilavuus laimennetaan 25,0 millilitraksi mittapullossa. Mikä on

liuoksen B konsentraatio? MUISTA: 1 dm3 =̂ 1 l.

0,44 mol/l 9,1 mol/l 4,4 mol/l 0,015 mol/l

1.10 Miten alleviivattu atomi on hybridisoitunut? H2C=CH2

sp

sp2

sp3 ei mikään maini-

tuista

1.11 Guanosiini on yksi RNA-molekyylissä esiinty-

vistä nukleosideista. Guanosiinin molekyylikaava on

C10H13N5O5. Eräässä kokeessa tarvittiin guanosiinia

4 moolia. Kuinka monta moolia typpeä tuli tällöin

kokeeseen?

20 mol

5 mol

4 mol

9 mol

1.12 Erään hiilivedyn molekyylikaava on C5H10. Mikä seuraavista väitteistä ei pidä paikkaansa

Hiilivedyn nimi voi olla 1-penteeni.

Hiilivety voi olla rengasrakenteinen.

Hiilivety voi sisältää kaksi kaksoissidosta.

Hiilivedyssä voi olla sekä cis-trans-isomeriaa että optista isomeriaa.

1.13 Mikä seuraavista on stereoisomerian laji?

paikkaisomeria kristalli-isomeria optinen isomeria funktioisomeria

1.14 Inkiväärin tuoksu johtuu enimmäkseen mm. alla olevassa kuvassa näkyvästä molekyylistä, zin-

gibereenistä. Kuinka monta asymmetristä hiiltä sillä on?

0 1 2 3

1.15 Mikä seuraavista ei ole aineen rakenteen analyysimenetelmä?

Röntgenkristallo-

grafia

IR-spektroskopia Massaspektro-

metria

Ohutlevykroma-

tografia

2. Hyönteismyrkkynä käytettävän orgaanisen yhdisteen massaprosenttinen koostumus on seuraava:

24,779 % hiiltä, 2,0794 % vetyä ja 73,142 % klooria.

a) Mikä on yhdisteen empiirinen kaava? (3p)

b) Mikä on yhdisteen molekyylikaava, kun MS-spektrin tiedot ovat alla olevassa kuvassa. (1p)

c) IR-spektrin (IR-spektri alla) ja rakennemäärityksen nojalla tiedetään, että kaikki hiiliatomit ovat

järjestyneet sykliseksi rakenteeksi ja jokaiseen hiileen on liittynyt vähintään yksi kloori. Esitä raken-

nekaava ja nimeä yhdiste. Käytä Marvinskecth-ohjelmaa ja hyödynnä sitä. (2p)

a) Otetaan tuotetta 100 grammaa. Tällöin

𝑚(C) = 24,779 g ⟹ 𝑛(C) =𝑚

𝑀=

24,779 g

12,01 g

mol

= 2,063 197 … mol

𝑚(H) = 2,0794 g ⟹ 𝑛(H) =𝑚

𝑀=

2,0794 g

1,008 g

mol

= 2,062 896 … mol

𝑚(Cl) = 73,142 g ⟹ 𝑛(Cl) =𝑚

𝑀=

73,142 g

35,45 g

mol

= 2,063 244 … mol

Näin ollen ainemäärien suhde (jaetaan pienimmällä, eli 𝑛(H):lla)

𝑛(C): 𝑛(H): 𝑛(Cl) ≈ 1: 1: 1

Näin ollen empiirinen kaava on (CHCl)𝑥, missä 𝑥 on kokonaisluku > 0.

b) Koska MS-spektristä saadaan molekyyli-ionin massaksi 288, niin jakamalla tämä luku yhden yksikön

CHCl moolimassalla saadaan 𝑥 ratkaistua:

𝑥 =288

48,468= 5,94 … ≈ 6

Näin ollen yhdisteen molekyylikaava on C6H6Cl6.

c) Koska kloorin ja hiilen välisen

sidoksen IR-absorptio osuu sor-

menjälkialueelle, niin IR-spektriä

käyttäen voidaan todeta yhdisteen

sisältävän C𝑠𝑝3 − H sidosten ab-

sorptioita. Näin ollen yhdiste olisi

(myös tehtävänannon tietoja käyt-

täen) 1,2,3,4,5,6-heksa-kloori-

sykloheksaani.

3. a) Salibandyn pelaaja hikoilee ottelun aikana 𝟐, 𝟎 dl hikeä, jonka kaliumionipitoisuus on 𝟒, 𝟎 mmol/l.

Kuinka monta milligrammaa kaliumioneja pelaaja menettää ottelun aikana? (1p)

b) Selitä laskujen kera kuinka valmistat 𝟐𝟓𝟎 millilitraa 𝟎, 𝟓-molaarista NaOH-liuosta. Käytössäsi on

peruslabravälineet ja kiinteää NaOH. Menetelmät, laskut ja välineet tulee olla vastauksessa. (2p)

c) Määritä MS-spektristä yhdisteen moolimassa. Perustele. (1p)

d) Päättele IR-spektrin kautta mitä funktionaalisia ryhmiä yhdisteellä on. Yhdisteen molekyylikaava

on C5H12O. (1p)

e) Päättele IR-spektrin kautta mitä funktionaalisia ryhmiä yhdisteellä on. Yhdisteen molekyylikaava

on C4H5N. (1p)

a) Tiedetään tilavuus ja konsentraatio voidaan ainemäärä määrittää ja sitä kautta massa. Siis

𝑛(K+, hiki) = 𝑐 ∙ 𝑉 = 0,004 mol

l∙ 0,2 l = 0,008 mol

⟹ 𝑚(K+, hiki) = 𝑛 ∙ 𝑀 = 0,008 mol ∙ 39,10 g

mol= 0,031 28 g = 31,28 mg .

b) Lasken ensin kuinka paljon pitää punnita kiinteää NaOH:a. Saan

𝑛(NaOH) = 𝑐 ∙ 𝑉 = 0,5 mol

l∙ 0,25 l = 0,125 mol

⟹ 𝑚(NaOH) = 𝑛 ∙ 𝑀 = 0,125 mol ∙ 39,998 g

mol= 4,999 75 g ≈ 5 g .

Sitten punnitsen noin 5 grammaa NaOH:a ja siirrän sen suppilon avulla 250 millilitran mittapulloon, jonka

pohjalle olen laittanut hieman tislattua vettä. Sitten lisään tislattua vettä yli puolen välin ja liuotan kiinteän

NaOH:n kokonaan. Lopuksi täytän merkkiin asti tislatulla vedellä ja ravistelen vielä huolella. Lopuksi siir-

rän liuoksen esim. ruiskupulloon ja teen tarvittavat merkinnät pullon kylkeen. Tiskaan astiat.

c) Yhdisteen moolimassa saadaan molekyyli-ionin lukuarvosta. Siis 74.

d) Koska yhdisteessä on hiiltä, vetyä ja happea, ja koska yhdisteessä ei ole voimakasta piikkiä aaltoluvun

~1700 cm-1

kohdalla eli ei karbonyylistä hiiltä ja koska yhdisteen molekyylikaava on C5H12O eli yhdisteessä

ei ole kaksois- tai kolmoissidoksia, niin vaihtoehdot funktionaaliseen ryhmään ovat oikeastaan vain hydrok-

syyli-ryhmä. Absorptiopiikki aaltoluvun ~3000–2800 cm-1

kohdalla tulee sidoksesta C𝑠𝑝3 − H.

Kyseessä 2-pentanoli.

e) Yhdisteessä on hiiltä, vetyä ja typpeä. Nyt yhdisteessä on voimakas piikki aaltoluvun ~1650 cm-1

kohdal-

la, samoin aaltoluvun ~2250 cm-1

kohdalla. Absorptiopiikki aaltoluvun ~3000–2800 cm-1

kohdalla tulee si-

doksesta C𝑠𝑝3 − H. Vaihtoehdot funktionaalisiksi ryhmiksi ovat alkenyyli-ryhmä eli kaksoissidos (aaltolu-

vusta ~1650 cm-1

) ja syano-ryhmä eli C ≡ N (aaltoluvusta ~2250 cm-1

).

Kyseessä on allyyli-syanidi.

4. a) Piirrä yhdisteelle (kuva alla)

i) yksi paikkaisomeeri, ii) yksi ketjuisomeeri, iii) yksi funktioisomeeri.

iv) Nimeä kaikki piirtämäsi yhdisteet. (3p)

b) Piirrä seuraavat yhdisteet ja vastaa kysymyksiin:

i) 2-bromi-heksaani; Onko yhdisteessä kiraliakeskusta?

ii) 6-etyyli-5,3-dimetyyli-2-oktanoli; Onko alkoholi primäärinen, sekundäärinen vai tertiäärinen?

iii) cis-4-amino-sykloheptanoli; Kuinka avaruudellinen sidosten suuntautuminen tulee piirtää tasoku-

viossa?

iv) Määritä edellä annettujen yhdisteiden molekyylikaava ja laske/määritä (voit siis hyödyntää ohjel-

mistoja) yhdisteiden moolimassa. (3p)

a) i) ii) iii)

Muita paikka- tai ketjuisomeerejä ei ole, koska kolmiulotteinen tarkastelu. Koska yhdisteessä on vain yksi

happi, niin kolmas funktioisomeeri voisi olla eetterit tai alkoholit, mutta tällöin olisi vetyjä liian vähän tai

yksi hiili liikaa.

b) i) ii) iii)

On yksi kiraliakeskus eli asym-

metrinen hiili. Merkitty ∗:lla.

C6H13Br

𝑀(C6H13Br) = 165,064g

mol

Alkoholi on sekundäärinen.

C12H26O

𝑀(C12H26O) = 186,328g

mol

Tasossa olevat sidokset pelkillä

viivoilla, tasosta katsojaan päin

vahvennetulla viivalla ja tasosta

poispäin katkoviivalla.

C7H15ON

𝑀(C7H15ON) = 129,2g

mol

∗

5. a) Selitä poolisuuden ja molekyylien välisten sidosten avulla (piirrä kuvia vastauksesi tueksi), miksi

i) butanaalin kiehumispiste on alhaisempi (𝟕𝟔 ℃) kuin 1-butanolin (𝟏𝟏𝟖 ℃).

ii) metaanihappo HCOOH liukenee hyvin veteen, mutta steariinihappo CH3(CH2)16COOH ei liukene.

Liitä kuvat ko. molekyyleistä vastaukseesi. (2p)

b) Selitä

i) kuinka pii-sidos syntyy ja ii) mitä tarkoitetaan avaruusisomerialla, anna esimerkkejä. (2p)

c) Molekyylin kolmiulotteinen rakenne voi olla hyvinkin erilainen riippuen atomien ja sidosten tar-

kemmasta luonteesta. Piirrä kohtien i) - ii) molekyylit ja vastaa kemiallisesti perustellen.

i) Kuinka suuri sidoskulma on hiilidioksidissa? Entä vedessä? Mistä ero johtuu?

ii) Miksi ammoniakissa on suurempi sidoskulma kuin vedessä? (2p)

a) i) Molemmat yhdisteet ovat neljän hiilen molekyylejä.

1-butanoli on primäärinen alkoholi, eli sillä on hydroksyyliryhmä, -OH, hiiliketjun päässä. Tämän

ryhmän kautta 1-butanoli muodostaa vetysidoksia toisiin 1-butanolimolekyyleihin. Eli 1-butanoli-

molekyylien välille syntyy vahvoja molekyylien välisiä vetysidoksia.

Butanaalissa on karbonyylinen hiili, eli kaksoissidos C=O,

hiiliketjun päässä. Tämän aldehydiryhmän, -CHO, kautta bu-

tanaali on poolinen molekyyli. Syntyy siis dipoli. Huom. hii-

liketjun pituus 4 kpl ”ei tuhoa” poolisuutta. Butanaalimole-

kyylien välille syntyy dipoli-dipolisidoksia, jotka ovat hei-

kompia kuin vetysidokset.

Näin ollen butanaali kiehuu alemmassa lämpötilassa kuin 1-butanoli.

ii) Molemmat yhdisteet ovat karboksyylihappoja (sama funktionaalinen ryhmä -COOH), hiiliketjun pituus

on eri.

Metaanihappo, HCOOH, on koostunut pienistä, poolisista molekyyleistä. Happoryhmän kautta me-

taanihappo-molekyylit voivat vetysidoksin vuorovaikuttaa vesimolekyylien kanssa, joten metaani-

happo liukenee hyvin veteen. Itseasiassa metaanihappo reagoi osittain veden kanssa luovuttaen pro-

tonin eli vetyionin.

Reaktio veden kanssa:

Steariinihapossa on pitkä pooliton hiiliketju, joka ns. ”tuhoaa” happoryhmän poolisuuden. Steariini-

happo on näin ollen pooliton (hyvin heikosti poolinen), vain dispersiovoimia. Näin ollen steariini-

happomolekyyli vuorovaikuttaa heikosti tai ei lainkaan poolisen veden kanssa. Vesimolekyylit eivät

pääse tunkeutumaan pitkien, poolittomien hiilivetyketjujen väliin. Steariinihappo ei näin ollen liuke-

ne veteen.

b) i) Pii-sidos syntyy kun hybridisoitumattomat 2𝑝-atomiorbitaalit su-

lautuvat yhteen kaksiosaiseksi sidos-orbitaaliksi.

Määritelmä, piisidos:

Tason suhteen symmetristä sidosta, jossa atomiorbitaalit ovat sivuttain

sulautuneet yhteen sidosorbitaaliksi, kutsutaan 𝜋-si-dokseksi.

.

Hybridisoitumaton atomiorbitaali sp2-hybridisaatiossa.

Muista: Yhdellä orbitaalilla max

kaksi elektronia.

c) i) Hiilidioksidi on ns. sauvamainen molekyyli, eli hiilen ja hapen väliset sidokset muodostavat 180 asteen

kulman (katso kuvat). Hiili on 𝑠𝑝-hybridisoitunut (2 x kaksoissidos, yht. 4 sidosta OK) ja molemmat hapet

ovat 𝑠𝑝2-hybridisoituneita (1 x kaksoissidos, yht. 2 sidosta OK + 2 x vapaa elektronipari, jotka ovat päissä

vihreän orbitaalin alueella).

Vesi molekyyli on ns. kiilamainen, eli hapen ja vetyjen väliset sidokset muodostavat kulman, jonka suuruus

on noin 105 astetta. Syy johtuu siitä, että hapella on kaksi vapaata elektroniparia, joten sähköiset hylkimis-

voimat pakottavat sidokset (elektroneja!!) taipumaan. Happi on 𝑠𝑝3-hybridisoitunut, eli 2 x yksinkertainen

sidos, yht. 2 sidosta OK + 2 x vapaa elektronipari (ja vety ei hybridisoidu).

Ero johtuu siis siitä mitkä atomit ja kuinka ne ovat hybridisoituneet tarkasteltavassa molekyylissä on.

Happiatomi (yksin)

Hybridisoitunut O-atomi

Sidoselek-

tronit Vapaat

elek.parit

Hybridisaatio

𝜎-sitoutuminen

𝜋-sitoutu-

minen

𝜋-sitoutu-

minen

ii) Vedessä sidoskulma oli siis noin 104,5 astetta ja ammoniakissa se

on noin 107 astetta. Ammoniakissa typpi on 𝑠𝑝3-hybridisoitunut, eli 3

x yksinkertainen sidos, yht. 3 sidosta OK + 1 x vapaa elektronipari (ja

vety ei hybridisoidu). Ammoniakissa on suurempi sidoskulma kuin

vedessä koska yksi vety tietysti ottaa myös oman tilan avaruudessa ja

ammoniakin yksi vapaa elektronipari ei saa taipumista niin paljon ai-

kaan kuin veden kaksi vapaata elektroniparia. Katso kuvat alla.

6. Alkuaineanalyysin perusteella orgaaninen yhdiste sisälsi hiiltä, vetyä, typpeä ja happea. Polttoanalyy-

sissä 𝟏, 𝟐𝟕𝟗 gramman suuruinen näyte tätä yhdistettä tuotti 𝟏, 𝟔𝟎 grammaa hiilidioksidia ja 𝟎, 𝟕𝟕

grammaa vettä. Typpianalyysissä 𝟏, 𝟔𝟐𝟓 gramman suuruinen näyte tätä yhdistettä tuotti 𝟎, 𝟐𝟏𝟔

grammaa typpeä. Määritä perustellen yhdisteen molekyylikaava ja päättele mikä aminohappo (Mar-

vinsketch -> Edit -> Template Library-> Amino Acids) on kyseessä, kun MS- ja IR-spektrit ovat alla.

Huom! Funktionaaliset ryhmät tulee myös perustella.

O-atomin

perustila

O-atomin

hybriditila

taipunut, kiila-

mainen muoto

Veden orbitaalien

päällekkäisyys Ammoniakin orbitaali-

en päällekkäisyys

pyramidin kal-

tainen muoto

N-atomin

perustila N-atomin

hybriditila

1) Kun hiiliyhdiste palaa täydellisesti (happea on riittävästi eli ylimäärin) muodostuu hiilidioksida ja vettä.

Siis

CXHYOZNw (s, l tai g) + O2 (g) → X CO2 (g) +Y

2 H2O (g) +

W

2 N2 (g)

Tällöin stoikiometrisistä kertoimista saadaan

𝑛(C) = 𝑛(CO2) =𝑚

𝑀=

1,60 g

44,01 g/mol= 0,036 355 … mol

𝑛(H) = 2 ∙ 𝑛(H2O) = 2 ∙𝑚

𝑀= 2 ∙

0,77 g

18,016g

mol

= 0,085 479 … mol

ja

𝑚(C) = 𝑛 ∙ 𝑀 = 0,036 355 … mol ∙ 12,01g

mol= 0,436 628 … g

𝑚(H) = 𝑛 ∙ 𝑀 = 0,085 479 … mol ∙ 1,008g

mol= 0,086 163 … g

Tarkistetaan oliko yhdisteessä happea tai muita alkuaineita? On, koska typen polttoanalyysistä saadaan

𝑚(N) = 𝑚(näyte) ∙ 𝑚 ̶ %(N) = 1,279 g ∙0,216 g

1,625 g= 0,586 199 … g

niin lopuksi happi

𝑚(O) = 𝑚(yhdiste) − 𝑚(C) − 𝑚(H) − 𝑚(N) = 1,279 g − 0,6920 … g = 0,586 … g

Sitten vielä puuttuvat ainemäärät:

⟹ 𝑛(N) =𝑚

𝑀=

0,170 … g

14,01 g

mol

= 0,012 134 … mol ja 𝑛(O) =𝑚

𝑀=

0,586 … g

16,00 g

mol

= 0,036 637 … mol

Näin ollen yhdisteen alkuaineiden C, H, O ja N moolisuhteet (pienin on 𝑛(N) = 0,012 … mol)

𝑛(C): 𝑛(H): 𝑛(O): 𝑛(N) ≈⏞

jaetaan pie−

nimmälllä

3: 7: 3: 1

Siis, yhdisteen suhde- eli empiirinen kaava on (C3H7O3N)𝑥.

2) Edelleen koska MS-spektristä saadaan tietoon molekyyli-ionin massa 105 ja koska yhden yksikön

C3H7O3N molekyylimassa on

3 ∙ 12,01 + 7 ∙ 1,008 + 3 ∙ 16 + 14,01 = 105,096 ,

niin 𝑥 = 1. Siis yhdisteen molekyylikaava C3H7O3N.

3) IR-spektristä saadaan seuraavat tiedot:

- aaltoluvun ~1 600 cm-1

kohdalla oleva voimakas piikki viittaa joko hiilen ja typen väliseen kaksoissidok-

seen (alkenyyliryhmä) tai sitten amidiin (muista yhdisteessä yksi typpi). Amidin tapauksessa tulisi olla myös

aaltoluvun ~3 400 − 3 200 cm-1

kohdalla oleva piikki.

- Toisaalta koska aaltoluvun ~2 500 − 3 500 cm-1

kohdalla on laaja piikki, niin se viittaa karboksyyli-

ryhmään. Lisäksi aaltoluvun ~3 400 cm-1

kohdalla on piikki, niin se voisi olla hydroksyyliryhmästä.

- Aaltoluvun ~3 000 − 2 850 cm-1

kohdalla oleva voimakas piikki tulee siis C𝑠𝑝3 − H sidoksesta.

- Lopuksi myös aminoryhmällä tulisi olla aaltoluvun ~3 500 − 3 300 cm-1

kohdalla on kaksi piikkiä.

4) Katsotaan Marvinskecth:n kirjastomolekyyleistä, mihin aminohappoon kaikki yllä olevat tiedot voisi si-

joittaa. Etsitään kaikki kolmen hiilen aminohapot ja päätellään, mikä aminohappo voisi olla kyseessä.

L−alaniini L−seriini L−kysteiini

Näistä kysteiini ei voi tulla kyseeseen koska siinä on rikkiä, samoin alaniini sulkeutuu pois koska happea on

avin kaksi kappaletta.

VAST: Seriini vaikuttaisi olevan (molekyylikaavan nojalla) etsitty aminohappo. Sen funktionaaliset ryhmät

täsmäävät IR-spektriin, vaikkakin aminoryhmän kaksi piikkiä jääkin hieman karboksyyliryhmän alle..